Bezpieczne wykorzystanie wodoru dzięki sprawdzonym w automatyzacji rozwiązaniom
PilzWodór jako źródło energii oferuje ogromny potencjał w zakresie ochrony klimatu. Niestety proces jego wytwarzania, transportu, magazynowania i wykorzystania wiążą się z wysokim ryzykiem, ponieważ gaz ten jest wysoce łatwopalny, a także bezbarwny i bezwonny. Podczas pracy z wodorem w celu zapewnienia ochrony ludzi i środowiska, należy zagwarantować bezpieczeństwo funkcjonalne instalacji. Przetestowane i dostępne dla branży automatyki rozwiązania bezpieczeństwa odgrywają kluczową rolę we wszystkich aplikacjach wykorzystujących wodór. Dzięki nim wodór może być nie tylko czysty, ale także bezpieczny.
Powiązane firmy
Wodór odgrywa kluczową rolę w transformacji energetycznej i dążeniu do neutralności klimatycznej. Wykorzystuje się go w przemyśle, na przykład w produkcji stali i szkła, jako paliwo do pojazdów oraz do rekonwersji na energię elektryczną. Wodór stwarza jednocześnie wiele możliwości, ale i duże zagrożenia. Jest gazem silnie łatwopalnym i wysoce wybuchowym w kontakcie z powietrzem. Nawet w niewielkiej ilości – zapłon następuje już przy stężeniu wodoru w powietrzu na poziomie 4%. Z tego powodu, aby uniknąć ryzyka zapłonu spowodowanego iskrami lub ciepłem, nie wolno mieszać powietrza i wodoru w niekontrolowany sposób. Bezpieczne wytwarzanie, transportowanie, magazynowanie i wykorzystanie wymagają zastosowania odpowiednich systemów bezpieczeństwa.
Wymagania w zakresie technologii sterowania dla zastosowania wodoru
Szczególnie ważnymi czynnikami na jakie należy zwrócić uwagę w aplikacjach wykorzystujących wodór są szczelność gazowa, trwałość urządzeń odcinających oraz wytrzymałość ciśnieniowa, a także szczelność rur, czujników i zaworów. Ma to związek z faktem, że wyciek gazu, nadmierne ciśnienie lub nieszczelności zaworów mogą mieć poważne konsekwencje dla ludzi, instalacji i środowiska. Dlatego rozwiązania bezpieczeństwa często uwzględniają takie parametry jak właściwości materiału i wymiarowanie mechaniczne. Im na przykład solidniejsze zawory odcinające, tym bezpieczniejsze jest ich użytkowanie.
Zabezpieczenie procesu tankowania wodorem pojazdów jest kluczowe, ponieważ wodór jest tankowanym pod bardzo wysokim ciśnieniem, co stwarza ryzyko wybuchu, pożaru i zagrożenia dla ludzi oraz infrastruktury. Aby odpowiednio zabezpieczyć ten etap, należy stosować szczelne instalacje, systemy detekcji wycieków, odpowiednią wentylację oraz przeszkolić personel z procedur bezpieczeństwa.
Wodór można skroplić, schładzając go do temperatury -253 stopni Celsjusza. W tej postaci zajmuje on mniej miejsca i jest łatwiejszy w transporcie. Odpowiednia izolacja chroni nie tylko przed ciepłem, ale także przed kontaktem z otoczeniem. Kontakt wodoru ze skórą w stanie kriogenicznym lub wdychanie zamarzających oparów ciekłego wodoru może spowodować odmrożenia, hipotermię i uszkodzenie płuc. Wodór można także przechowywać w stanie gazowym pod wysokim ciśnieniem – od 200 do 900 bar. Zwiększa to zawartość energii na metr sześcienny. Wodór w tej postaci jest bardzo lotny. Jako jeden z najlżejszych pierwiastków bardzo szybko unosi się i miesza z powietrzem. Gromadzenie się wodoru w zamkniętych pomieszczeniach lub budynkach może wiązać się z ryzykiem zapłonu lub wybuchu. Ponieważ jest wysoce łatwopalny, nawet niewielkie iskry lub źródła ciepła mogą doprowadzić do eksplozji. Dlatego nawet najmniejsze wycieki wodoru z rurociągów, armatury i zbiorników stanowią poważne ryzyko. Ponadto wodór jest gazem bezbarwnym i bezwonnym, co powoduje, że pożary wodoru są często trudne do zlokalizowania i ugaszenia.
Z punktu widzenia bezpieczeństwa niezwykle ważne jest nieograniczanie się wyłącznie do statycznej kontroli stanu instalacji. Przetestowane i dostępne rozwiązania bezpieczeństwa w obszarze automatyki oraz bezpieczeństwa funkcjonalnego mogą mieć zastosowanie do wszystkich branż wykorzystujących wodór. Pomagają one traktować bezpieczeństwo zawsze jako nadrzędną wartość w kontekście monitorowania komponentów i ich powiązań funkcjonalnych w łańcuchu procesów. Oprócz statycznych zabezpieczeń komponentów, mogą na przykład przejąć odpowiedzialność za dynamiczne monitorowanie ciśnienia i temperatury lub przestrzeganie ograniczeń obciążenia kolejnych elementów instalacji. Systemy sterowania firmy Pilz odpowiadają za niezawodne wykrywanie wycieków gazu poprzez analizę wskazań detektorów gazu oraz za monitorowanie temperatury, ciśnienia, poziomu napełnienia, napięcia, natężenia i wyłącznika awaryjnego. W ciągu milisekund mogą zostać wykryte usterki i zainicjowane zdefiniowane wcześniej reakcje, które chronią ludzi i instalację.
PilzBezpieczeństwo na wszystkich etapach
Wodór można wytwarzać na kilka różnych sposobów, w zależności od dostępnych surowców, technologii i celów zastosowania. Do najczęściej stosowanych należą elektroliza wody oraz reforming parowy.
W procesie elektrolizy prąd elektryczny jest wykorzystywany do rozbicia wody na tlen i wodór. Różne procesy elektrolizy wymagają różnych środków bezpieczeństwa. Niektóre wymagają wysokich ciśnień i temperatur, które należy monitorować i kontrolować, w celu uniknięcia wypadków. Jeżeli ciśnienie w zbiorniku jest zbyt wysokie, aktywowany zostaje zawór nadmiarowy, który otwiera się automatycznie, aby uwolnić nadmiar wodoru. Detektory gazu i płomieni odgrywają tu ważną rolę, ponieważ natychmiast rozpoznają ulatniający się gaz i płomienie, dzięki czemu pozwalają szybko podjąć środki bezpieczeństwa – na przykład zabezpieczyć strefę niebezpieczeństwa lub bezpiecznie zatrzymać proces. Podczas elektrolizy mogą wystąpić również wahania obciążenia. Z tego powodu ważne jest zapewnienie możliwie najbardziej stabilnego zasilania elektrycznego. Ma to związek z faktem, że awaria zasilania nie tylko przerywa elektrolizę, ale również zwiększa ryzyko wybuchu. Sterownik bezpieczeństwa PNOZmulti 2 firmy Pilz wykorzystuje wejścia analogowe i elastyczność oprogramowania do monitorowania wszystkich niezbędnych funkcji bezpieczeństwa, takich jak ciśnienie, temperatura lub poziom napełnienia, a także do sterowania nimi.
Reforming parowy natomiast to metoda wytwarzania wodoru z węglowych źródeł energii oraz z wody. W procesie tym paliwo, na przykład gaz ziemny czy nawet metanol, biogaz lub biomasa, reaguje z parą wodną w warunkach wysokich wartości temperatury i ciśnienia. Zawartość tlenu w parze powoduje częściowe utlenienie paliwa, w wyniku czego powstaje wodór i tlenek węgla. Procedura wymaga wysokich temperatur, które osiąga się za pomocą palników. Sterownik PNOZmulti 2 w wersji Burner i system sterowania PSS 4000 mogą przejąć kontrolę nad sekwencjami sterowania i monitorowania klasycznego systemu zarządzania palnikami. Mogą również odpowiadać za monitorowanie bezpieczeństwa instalacji lub maszyny produkcyjnej wykorzystującej proces termiczny.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Wytworzony wodór można magazynować i transportować na różne sposoby w zależności od procesu produkcyjnego, odległości i potrzeb użytkownika końcowego. Jako źródło energii – zarówno w postaci sprężonej, jak i ciekłej – wodór może być transportowany na przykład transportem kolejowym, wodnym lub drogowym. Wybór postaci sprężonej lub ciekłej zależy od konkretnych wymagań i infrastruktury. Transport morski może mieć zastosowanie w przypadku importu i eksportu wodoru. Duże ilości tego surowca można transportować na duże odległości rurociągami.
PilzBezpieczeństwo na stacjach tankowania wodoru
Wodór znajduje coraz szersze zastosowanie w transporcie jako czyste paliwo alternatywne, szczególnie w pojazdach z ogniwami paliwowymi. Aby jednak mógł być stosowany jako paliwo w silnikach spalinowych, potrzebna jest odpowiednia infrastruktura. Kluczowe dla rozwoju mobilności wodorowej są stacje tankowania wodoru. Stacja taka składa się ze strefy sprężania gazu do ciśnienia 1000 bar, układu chłodzenia, wysokociśnieniowych zbiorników magazynujących oraz pompy napełniającej. Układ stacji i system zarządzania nią zatwierdzają władze lokalne zgodnie z wymogami prawa krajowego lub regionalnego.
Funkcje bezpieczeństwa, które należy uwzględnić przy obsłudze stacji tankowania wodoru, obejmują wykrywanie wycieków wodoru, wykrywanie płomieni i dymu oraz monitorowanie temperatury i ciśnienia. Obecnie na 10 publicznych stacjach tankowania wodoru we Francji za bezpieczeństwo podczas tankowania odpowiada system sterowania PSS 4000 firmy Pilz. Lokalny oddział Pilz Francja współpracuje tam z firmą Hydrogen Refueling Solutions (HRS) od 2023 r. Hydrogen Refueling Solutions specjalizuje się w projektowaniu, produkcji i wdrażaniu stacji tankowania wodoru dla różnych sektorów transportu i przemysłu. Działa w całej Europie, wspierając rozwój niskoemisyjnej mobilności i zielonej infrastruktury.
Bezpieczeństwo funkcjonalne wymaga uwzględnienia bezpieczeństwa przemysłowego
Wraz z rozrostem cyfrowych sieci w instalacjach i systemach wytwarzania oraz wykorzystania wodoru, obok bezpieczeństwa funkcjonalnego coraz ważniejszym czynnikiem staje się bezpieczeństwo przemysłowe. Bezpieczeństwo przemysłowe ma na celu zagwarantowanie dyspozycyjności instalacji i maszyn oraz integralności i poufności danych i procesów. Bezpieczeństwo przemysłowe oznacza ochronę zakładów produkcyjnych i przemysłowych przed manipulacją i niewłaściwym użytkowaniem. W przeszłości zapewnienie bezpieczeństwa było domeną systemów IT. Obecnie instalacje produkcyjne i przemysłowe są często ściśle ze sobą powiązane za pomocą technologii informatycznych. W związku z tym coraz łatwiejsze stają się ataki na systemy automatyki i sterowania, ingerencje w nie, a nawet naruszenia bezpieczeństwa maszyn. Oznacza to, że pracownicy niebędący ekspertami w dziedzinie IT muszą stawiać czoła nowym zagrożeniom. Bezpieczeństwo przemysłowe oznacza konieczność zabezpieczenia sieci zakładów produkcyjnych i przemysłowych w zakresie automatyki i sterowania procesami.
Atakujący często wykorzystują słabe punkty systemu w celu uzyskania dostępu do sieci sterowania lub przerwania procesów produkcji. Aby uniemożliwić dostęp do sieci sterowania, należy wykrywać i natychmiast eliminować wszelkie potencjalne słabe punkty instalacji. Jeśli cyberprzestępcy uda się wykorzystać lukę w zabezpieczeniach, konsekwencje dla firmy mogą być katastrofalne. Jednym z przykładów jest zdalne połączenie ze zbiornikiem wykorzystywanym w produkcji wodoru w celu sprawdzania stanu systemu. Połączenie to musi być chronione, jeśli za jego pośrednictwem część systemu związana z bezpieczeństwem może być kontrolowana lub modyfikowana bez dodatkowych autoryzacji. Do zabezpieczenia sieci automatyki przemysłowej przed nieautoryzowanym dostępem, manipulacją i cyberatakami służy moduł SecurityBridge firmy Pilz. Dzięki niemu w sieci sterowania wszystkie połączenia między narzędziami projektowymi, diagnostycznymi lub konfiguracyjnymi, a sterownikami są chronione przed manipulacją, co umożliwia bezpieczne łączenie się ze światem zewnętrznym. Dodatkowo system kontroli uprawnień dostępu PITreader wraz z odpowiednimi kluczami transponderowymi RFID chroni instalacje przed nieuprawnionym dostępem i pozwala w niezawodny sposób kontrolować je. Ma to związek z faktem, że wszelkie czynności mogą zostać podjęte przez operatora dopiero po sprawdzeniu jego uprawnień i udzieleniu zezwolenia.
Kompleksowe podejście do bezpieczeństwa i ochrony
Aby uzyskać optymalne wykorzystanie wodoru jako źródła energii, wszystkie elementy instalacji muszą do siebie pasować i ścisłe ze sobą współpracować. Nowoczesne rozwiązania automatyzacyjne mogą być cennym uzupełnieniem dotychczas stosowanych klasycznych mechanicznych zabezpieczeń stosowanych w branżach wykorzystujących wodór. Ma to związek z tym, że bezpieczeństwo funkcjonalne zawsze uwzględnia cały cykl życia urządzeń zabezpieczających. Ciągła, usystematyzowana ocena bezpieczeństwa funkcjonalnego zapewnia ochronę ludzi, instalacji i środowiska – począwszy od produkcji źródła energii, aż po jego wykorzystanie na stacji tankowania. Ponadto w firmie Pilz jesteśmy absolutnie przekonani, że jedynym słusznym rozwiązaniem jest kompleksowe podejście do zagadnień ochrony i bezpieczeństwa. W ramach bezpieczeństwa instalacje i maszyny są bowiem zabezpieczone przed nieupoważnioną ingerencją i niewłaściwym użyciem.
Źródło: Pilz
